In der modernen industriellen Automatisierung und präzisen mechanischen Steuerung ist die genaue Erkennung der Drehposition von entscheidender Bedeutung. Der Der Reluktanz-Resolver , allgemein als Resolver bezeichnet, ist ein äußerst zuverlässiger Sensor, der häufig in Servomotoren, der Robotik und anderen Anwendungen eingesetzt wird, die eine präzise Positionierung erfordern. In diesem Artikel werden die Funktionsprinzipien von Resolvern und die Art und Weise, wie sie eine Rotationspositionierung erreichen, kurz vorgestellt.
Ein Resolver ist ein analoger Sensor, der auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion basiert und den mechanischen Winkel eines Rotors in elektrische Signale umwandeln kann. Im Gegensatz zu digitalen Sensoren wie optischen Encodern liefern Resolver kontinuierliche analoge Signale für Drehpositionsinformationen und bieten hervorragende Anti-Interferenz-Fähigkeiten und Zuverlässigkeit, insbesondere in rauen Umgebungen.
Kernstruktur und Arbeitsprinzipien von Reluktanz-Resolvern
Um zu verstehen, wie Reluktanz-Resolver eine präzise Rotationspositionierung erreichen, ist es wichtig, sich mit ihrer einzigartigen physikalischen Struktur auseinanderzusetzen. Das ausgeklügelte Design dieser Sensoren bildet die Grundlage ihrer hohen Leistung und veranschaulicht die praktische Anwendung elektromagnetischer Induktionsprinzipien.
Revolutionäres Strukturdesign
Der Aufbau eines Reluktanzresolvers besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Statorkern, , dem Rotorkern und dem Wicklungssystem . Der Statorkern ist aus hochpermeablen Siliziumstahlblechen laminiert, wobei am Innenumfang große Zähne (Polschuhe) eingestanzt sind, die jeweils weiter in gleichmäßig verteilte kleine Zähne unterteilt sind. Die Anordnung und Form dieser kleinen Zähne ist sorgfältig berechnet, um eine ideale sinusförmige Magnetfeldverteilung zu gewährleisten. Der Rotor ist einfacher und besteht nur aus gezahnten Siliziumstahllamellen ohne Wicklungen oder elektronische Komponenten. Dieses „passive“ Design ist der Schlüssel zur hohen Zuverlässigkeit des Resolvers.
Das Wicklungssystem befindet sich vollständig auf dem Stator und umfasst eine Erregerwicklung und zwei orthogonale Ausgangswicklungen (Sinus- und Cosinuswicklung). Diese Wicklungen sind konzentriert und nach einem Sinusmuster verteilt, um die sinusförmigen Eigenschaften der Ausgangssignale sicherzustellen. Bemerkenswert ist, dass die Ausgangswicklungen abwechselnd und in umgekehrter Reihenschaltung angeordnet sind, wodurch harmonische Störungen effektiv unterdrückt und die Signalreinheit verbessert werden.
Positionierungsprinzip basierend auf Reluktanzvariation
Das Funktionsprinzip eines Reluktanz-Resolvers basiert auf der Modulation der magnetischen Leitfähigkeit im Luftspalt . Wenn eine sinusförmige Wechselspannung (typischerweise 7 V bei 1–10 kHz) an die Erregerwicklung angelegt wird, wird im Stator ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld gelangt durch den Luftspalt zum Rotor. Aufgrund der Rotorzähne ändert sich der magnetische Widerstand (der Kehrwert der magnetischen Leitfähigkeit) des Magnetkreises zyklisch mit der Position des Rotors.
Insbesondere wenn die Rotorzähne mit den Statorzähnen ausgerichtet sind, wird die Reluktanz minimiert und der magnetische Fluss maximiert. Wenn umgekehrt die Rotorschlitze mit den Statorzähnen ausgerichtet sind, wird die Reluktanz maximiert und der magnetische Fluss minimiert. Bei jeder Zahnteilung des Rotors durchläuft die magnetische Leitfähigkeit des Luftspalts einen vollständigen Variationszyklus. Diese Modulation des Erregermagnetfeldes induziert Spannungssignale in den Ausgangswicklungen, deren Amplituden mit der Winkelposition des Rotors korrelieren.
Wenn die Erregerspannung e₁=E₁msinωt ist, können die Spannungen der beiden Ausgangswicklungen mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
· Sinuswicklungsausgang: eₛ=Eₛₘcosθsinωt
· Kosinuswicklungsausgang: e_c=E_cmsinθsinωt
Hier stellt θ den mechanischen Winkel des Rotors dar und ω ist die Kreisfrequenz des Anregungssignals. Idealerweise sollten Eₛₘ und E_cm gleich sein, aber Fertigungstoleranzen können zu Amplitudenfehlern führen, die eine Kalibrierung oder Schaltungskompensation erfordern.
Polpaare und Messgenauigkeit
Die Polpaare eines Reluktanz-Resolvers sind ein kritischer Parameter, der sich direkt auf dessen Messgenauigkeit und Auflösung auswirkt. Die Anzahl der Polpaare entspricht der Anzahl der Rotorzähne und bestimmt den mechanischen Drehwinkel, der für einen vollständigen elektrischen Signalzyklus erforderlich ist. Beispielsweise erzeugt ein Resolver mit 4 Polpaaren 4 elektrische Signalzyklen pro mechanischer Drehung, wodurch der mechanische Winkel für die Messung effektiv um den Faktor 4 „verstärkt“ wird.
Gängige Reluktanzresolver auf dem Markt reichen von 1 bis 12 Polpaaren. Höhere Polzahlen ermöglichen theoretisch eine höhere Winkelauflösung, wobei 12-polige Resolver eine Genauigkeit von ±0,1° oder besser erreichen. Allerdings erhöht die Vergrößerung der Polpaare auch die Komplexität der Signalverarbeitung, was einen Kompromiss basierend auf den Anwendungsanforderungen erforderlich macht.
Diese auf Reluktanzvariation und elektromagnetischer Induktion basierende Winkelmessmethode ermöglicht einen stabilen Betrieb von Reluktanzresolvern über einen weiten Temperaturbereich (-55 °C bis +155 °C) mit Schutzarten bis IP67 oder höher. Sie halten starken Vibrationen und Stößen stand und eignen sich daher ideal für anspruchsvolle Umgebungen wie Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Militäranwendungen.
Signalverarbeitungs- und Winkelberechnungstechniken
Die von Reluktanzresolvern ausgegebenen analogen Signale erfordern spezielle Verarbeitungsschaltungen, um sie in nutzbare digitale Winkelinformationen umzuwandeln. Dieser Prozess erfordert komplexe Signalkonditionierungs- und Decodierungsalgorithmen, die für die Erzielung einer hochpräzisen Positionierung in Resolversystemen von entscheidender Bedeutung sind.
Von analogen Signalen zu digitalen Winkeln
Die Rohsignale eines Reluktanz-Resolvers sind zwei Sinuswellen (sinθsinωt und cosθsinωt), die durch den Rotorwinkel moduliert werden. Das Extrahieren der Winkelinformationen θ umfasst mehrere Verarbeitungsschritte. Zunächst werden die Signale einer Bandpassfilterung unterzogen , um hochfrequentes Rauschen und niederfrequente Störungen zu entfernen. Als nächstes entfernt die phasenempfindliche Demodulation (oder synchrone Demodulation) die Trägerfrequenz (typischerweise 10 kHz), wodurch niederfrequente Signale sinθ und cosθ entstehen, die die Winkelinformationen enthalten.
Moderne Dekodierungssysteme verwenden typischerweise digitale Signalprozessoren (DSPs) oder spezielle Resolver-zu-Digital-Wandler (RDC) zur Winkelberechnung. Diese Prozessoren verwenden CORDIC-Algorithmen (Coordinate Rotation Digital Computer) oder Arkustangensoperationen, um die sinθ- und cosθ-Signale in digitale Winkelwerte umzuwandeln. Beispielsweise verfügt der Mikrocontroller dsPIC30F3013 über ein integriertes ADC-Modul zur synchronen Abtastung der beiden Signale, gefolgt von Softwarealgorithmen zur Berechnung des genauen Winkels.
Fehlerkompensation und Genauigkeitsverbesserung
In praktischen Anwendungen können verschiedene Faktoren zu Messfehlern führen, darunter:
· Amplitudenungleichgewicht:
Ungleiche Amplituden von Sinus- und Cosinus-Ausgangssignalen (Eₛₘ≠E_cm)
· Phasenabweichung:
Nichtideale 90°-Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen
· Harmonische Verzerrung:
Signalverzerrung aufgrund einer nicht-sinusförmigen Magnetfeldverteilung
· Orthogonaler Fehler:
Winkelabweichung durch ungenaue Wicklungsmontage
Um die Systemgenauigkeit zu verbessern, nutzen fortschrittliche Dekodierschaltungen verschiedene Kompensationstechniken. Beispielsweise gleichen Schaltungen zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC) die Amplituden der beiden Signale aus, digitale Filter unterdrücken harmonische Störungen und Softwarealgorithmen berücksichtigen Terme zur Fehlerkompensation. Mit sorgfältiger Konstruktion und Kalibrierung können Resolversysteme Winkelfehler innerhalb von ±0,1° erreichen und damit die Anforderungen der meisten hochpräzisen Anwendungen erfüllen.
Trends in neuen Dekodierungstechnologien
Fortschritte in der Halbleitertechnologie treiben Innovationen in der Resolver-Signalverarbeitung voran. Traditionelle Demodulationsschaltungen mit diskreten Komponenten werden nach und nach durch integrierte Lösungen ersetzt . Einige neue Decoder-Chips integrieren Anregungssignalgeneratoren, Signalaufbereitungsschaltungen und digitale Berechnungseinheiten und vereinfachen so das Systemdesign erheblich.
Mittlerweile die softwaredefinierte Dekodierung immer größerer Beliebtheit. erfreut sich Dieser Ansatz nutzt die Rechenleistung von Hochleistungs-Mikroprozessoren, um die meisten Signalverarbeitungsfunktionen in Software zu implementieren und bietet so eine größere Flexibilität und Programmierbarkeit. Für individuelle Winkelmesslösungen können beispielsweise Filterparameter, Kompensationsalgorithmen oder auch Ausgabedatenformate angepasst werden.
Es ist erwähnenswert, dass das Decodierungssystem ebenso wichtig ist wie der Resolver selbst. Eine gut konzipierte Decodierungsschaltung kann das Leistungspotenzial des Resolvers voll ausschöpfen, während eine Decodierungslösung von geringer Qualität zum Engpass des gesamten Messsystems werden kann. Daher muss bei der Auswahl einer Resolverlösung sorgfältig auf die Kompatibilität zwischen Sensor und Decoder geachtet werden.
Leistungsvorteile und Anwendungsbereiche von Reluktanz-Resolvern
Dank ihrer einzigartigen Arbeitsprinzipien und ihres strukturellen Designs übertreffen Reluktanz-Resolver herkömmliche Positionssensoren in mehreren wichtigen Leistungskennzahlen. Diese Vorteile machen sie zur bevorzugten Wahl für die Winkelerkennung in vielen anspruchsvollen Industrieanwendungen.
Umfassende Leistungsüberlegenheit gegenüber herkömmlichen Sensoren
Im Vergleich zu herkömmlichen Positionserkennungsgeräten wie optischen Encodern und Hall-Sensoren weisen Reluktanz-Resolver umfassende Leistungsvorteile auf:
· Außergewöhnliche Anpassungsfähigkeit an die Umwelt:
Funktioniert stabil bei Temperaturen von -55 °C bis +155 °C, mit Schutzarten bis zu IP67 oder höher und hält starken Vibrationen und Stößen stand (z. B. raue Umgebungen wie Motorräume von Kraftfahrzeugen).
· Berührungslose lange Lebensdauer:
Das Fehlen von Wicklungen oder Bürsten am Rotor verhindert mechanischen Verschleiß und ermöglicht eine theoretische Lebensdauer von Zehntausenden von Stunden.
· Ultraschnelle Reaktion:
Unterstützt Geschwindigkeiten von bis zu 60.000 U/min und übertrifft damit die Grenzen der meisten optischen Encoder bei weitem.
· Absolute Positionsmessung:
Bietet absolute Winkelinformationen, ohne dass ein Referenzpunkt erforderlich ist, und liefert Positionsdaten sofort nach dem Einschalten.
· Starke Entstörungsfähigkeit:
Basierend auf elektromagnetischer Induktion ist es unempfindlich gegenüber Staub, Öl, Feuchtigkeit und externen Magnetfeldern.
Kernanwendungen in Fahrzeugen mit neuer Energie
In der New-Energy-Fahrzeugindustrie sind Reluktanz-Resolver zum Goldstandard für die Motorpositionserkennung geworden. Sie werden häufig in den Antriebsmotorsteuerungssystemen von Batterie-Elektrofahrzeugen (BEVs) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) eingesetzt und haben folgende Schlüsselfunktionen:
· Rotorpositionserkennung:
Bietet präzise Rotorwinkelinformationen für die Vektorsteuerung von Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs).
· Geschwindigkeitsmessung:
Berechnet die Motorgeschwindigkeit aus der Winkeländerungsrate und ermöglicht so eine Geschwindigkeitsregelung im geschlossenen Regelkreis.
· Elektrische Servolenkung (EPS):
Erkennt den Lenkradwinkel, um eine präzise Lenkunterstützung bereitzustellen.
Industrielle Automatisierung und Spezialanwendungen
Über den Automobilbereich hinaus werden Reluktanzresolver auch in der industriellen Automatisierung häufig eingesetzt:
· CNC-Werkzeugmaschinen:
Spindelpositionierung und Winkelmessung der Vorschubachse.
· Robotergelenke:
Präzise Steuerung der Roboterarmbewegungen.
· Textilmaschinen:
Garnspannungsregelung und Wickelwinkelerkennung.
· Spritzgießmaschinen:
Überwachung und Steuerung der Schneckenposition.
· Militär und Luft- und Raumfahrt:
Radarantennenpositionierung, Raketenrudersteuerung und andere Anwendungen in extremen Umgebungen.
Im Hochgeschwindigkeitszug und Schienenverkehr werden Reluktanzresolver zur Geschwindigkeits- und Positionserkennung von Fahrmotoren eingesetzt, wo ihre hohe Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit die Lebenszykluskosten erheblich senken. In rauen Umgebungen wie Bergbaumaschinen (z. B. unterirdische Kohletransportfahrzeuge und Förderbandmotoren) werden zunehmend Reluktanz-Resolver eingesetzt, um herkömmliche Sensoren zu ersetzen.
Mit dem Aufkommen von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung entwickeln sich Reluktanzresolver hin zu höherer Präzision, kleinerer Größe und größerer Intelligenz. Der Schwerpunkt der Produkte der nächsten Generation liegt auf der Kompatibilität mit integrierten Motor-Getriebe-Antriebskonstruktionen sowie der Entwicklung ölbeständiger und hochtemperaturbeständiger Varianten, um den Anforderungen ölgekühlter Systeme gerecht zu werden. Darüber hinaus wird erwartet, dass drahtlose Übertragung und Selbstdiagnosefunktionen zu zukünftigen Trends werden und ihren Anwendungsbereich weiter erweitern.
Technische Herausforderungen und zukünftige Trends für Reluktanz-Resolver
Trotz ihrer herausragenden Leistung und Zuverlässigkeit in verschiedenen Bereichen stehen Reluktanzresolver immer noch vor technischen Herausforderungen und weisen klare Innovationsrichtungen auf.
Bestehende technische Engpässe und Lösungen
Hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit stellen eine große Herausforderung für Reluktanzresolver dar. Die Bearbeitungsgenauigkeit der Statorzähne, die Gleichmäßigkeit der Wicklungsverteilung und das dynamische Gleichgewicht des Rotors wirken sich direkt auf die Genauigkeit und Leistung des Sensors aus. Bei hochpräzisen Resolvern mit mehreren Polpaaren (z. B. 12 Polpaaren) können selbst Herstellungsfehler im Mikrometerbereich zu inakzeptablen Amplituden- oder Phasenfehlern führen. Zu den Lösungen für dieses Problem gehören:
· Einsatz hochpräziser Stanzformen und automatisierter Laminierungsprozesse, um Konsistenz und Zahnschlitzgenauigkeit im Kern sicherzustellen.
· Einführung der Finite-Elemente-Magnetfeldanalyse zur Optimierung des Magnetkreisdesigns und zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen.
· Entwicklung von Selbstkompensationsalgorithmen zur automatischen Korrektur inhärenter Sensorfehler während der Signalverarbeitung.
Eine weitere Herausforderung ist die Komplexität der Systemintegration . Obwohl der Resolver selbst eine einfache Struktur aufweist, umfasst ein vollständiges Messsystem Subsysteme wie Erregerstromversorgungen, Signalaufbereitungsschaltungen und Decodierungsalgorithmen, die bei schlechter Auslegung zu Engpässen führen können. Um dieses Problem anzugehen, strebt die Branche nach integrierten Lösungen :
· Integration von Anregungsgeneratoren, Signalkonditionierung und Decodierungsschaltungen in einem einzigen Chip zur Vereinfachung des Systemdesigns.
· Entwicklung standardisierter Schnittstellen (z. B. SPI, CAN) für die nahtlose Integration mit Hauptsteuerungen.
· Bereitstellung umfassender Entwicklungskits, einschließlich Referenzdesigns, Softwarebibliotheken und Kalibrierungstools.
Innovationsrichtungen und zukünftige Trends
Materialinnovationen werden den Reluktanzlösern Leistungsdurchbrüche bescheren. Neue weichmagnetische Verbundwerkstoffe (SMCs) mit dreidimensionalen isotropen magnetischen Eigenschaften können die Magnetfeldverteilung optimieren und harmonische Verzerrungen reduzieren. Gleichzeitig werden hochtemperaturstabile Isoliermaterialien und korrosionsbeständige Beschichtungen den Einsatzbereich des Sensors erweitern.
Intelligenz ist eine weitere entscheidende Richtung für zukünftige Reluktanzlöser. Durch die Integration von Mikroprozessoren und Kommunikationsschnittstellen können Resolver Folgendes erreichen:
· Selbstdiagnosefunktionen:
Echtzeitüberwachung des Sensorzustands und Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer.
· Adaptive Kompensation:
Automatische Anpassung der Kompensationsparameter basierend auf Umgebungsänderungen (z. B. Temperatur).
·Vernetzte Schnittstellen:
Unterstützung für erweiterte Kommunikationsprotokolle wie Industrial Ethernet, was die Integration in Industrial IoT (IIoT)-Systeme erleichtert.
Im Hinblick auf die Anwendungserweiterung schreiten Reluktanzresolver in zwei Richtungen voran: in Richtung höherwertiger Präzisionsanwendungen (z. B. Halbleiterfertigungsgeräte, medizinische Roboter), die eine höhere Auflösung und Zuverlässigkeit erfordern, und in Richtung wirtschaftlicherer und weitreichenderer Anwendungen (z. B. Haushaltsgeräte, Elektrowerkzeuge) durch vereinfachte Designs und Massenproduktion zur Kostensenkung.
Ein besonders bemerkenswerter Trend ist der Einsatz von Reluktanz-Resolvern in New-Energy-Fahrzeugen der nächsten Generation . Da sich Motorsysteme in Richtung höherer Geschwindigkeiten und Integration weiterentwickeln, müssen Positionssensoren anspruchsvollere Anforderungen erfüllen:
· Unterstützung für ultrahohe Geschwindigkeiten über 20.000 U/min.
· Toleranz für Temperaturen über 150°C.
· Kompatibilität mit Dichtungsdesigns für ölgekühlte Systeme.
· Kleinere Einbaumaße und geringeres Gewicht.
Standardisierungs- und Industrialisierungsfortschritte
Mit zunehmender Reife der Reluktanz-Resolver-Technologie die Standardisierungsbemühungen voran. schreiten auch China hat nationale Standards wie GB/T 31996-2015 „Allgemeine technische Spezifikationen für Resolver“ eingeführt , um Produktleistungsmetriken und Testmethoden zu regulieren. Im Hinblick auf die Industrialisierung hat die chinesische Reluktanz-Resolver-Technologie ein international fortgeschrittenes Niveau erreicht.
Es ist absehbar, dass Reluktanz-Resolver mit dem technologischen Fortschritt und der Industrialisierung herkömmliche Sensoren in mehr Bereichen ersetzen werden, sich zur gängigen Lösung für die Drehpositionserkennung entwickeln und wichtige technische Unterstützung für die industrielle Automatisierung und die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge bieten.
